Hesaplama çekirdeklerinin evrimi: İlk işlemciyi kim yarattı?

Modern anlamda ilk tam teşekküllü merkezi işlem birimi (CPU), 1971 yılında piyasaya sürülen Intel 4004 olarak kabul edilir. Bu, aritmetik mantık birimi ve kontrol fonksiyonlarının tamamını tek bir silikon çip üzerinde birleştiren ilk ticari olarak kullanılabilir mikroişlemciydi. Ancak CPU'nun öncülleri, ENIAC ve EDVAC gibi 1940-1950'lerin hantal lambalı makineleriydi; bu makineler aynı işlevleri yerine getiriyor ancak tüm bir odayı kaplıyorlardı.

İşlemcilerin tarihini anlamak, mekanik rölelerden günümüz akıllı telefonlarında bulunan milyarlarca transistöre nasıl geldiğimizi kavramamıza yardımcı olur. Aşağıda bu evrimin kilit aşamaları yer almaktadır.

"İlk" işlemci olarak ne kabul edilmeli?

"İşlemci" terimi teknolojilerle birlikte evrim geçirmiştir. Kesin bir cevap vermek için kavramları ayırmak gerekir:

1. Mantıksal öncül: Vakum lambalı makineler (1940'lar). Bunlar "çip" değildi, ancak CPU işlevini görüyorlardı — talimatları işliyorlardı.
2. Ayrık işlemci: Baskılı devre kartları üzerindeki transistör montajları (1950–1960'lar).
3. Mikroişlemci: Tüm merkezi işlem birimini içeren tek bir çip (1971'den itibaren).

Modern elektronik bağlamında "ilk CPU"dan bahsedildiğinde, genellikle kastedilen mikroişlemcidir. Ancak hesaplama tarihine bütünsel olarak bakıldığında, başlangıç noktası 1945 yılında önerilen von Neumann mimarisidir. Bu mimari, cihazı bellek, işlemci ve giriş-çıkış birimleri olarak ayırmış ve onlarca yıl boyunca standart haline gelmiştir.

Lamba çağı: Hesaplama devleri (1940–1950'ler)

Silikon çiplerin ortaya çıkışından önce, hesaplamalar vakum lambaları kullanılarak gerçekleştiriliyordu. Bu cihazlar güvenilmezdi, megavatlarca enerji tüketiyordu ve aşırı ısınma nedeniyle sık sık arızalanıyordu.

ENIAC (1945)

Electronic Numerical Integrator and Computer (Elektronik Sayısal Entegratör ve Bilgisayar) genellikle ilk genel amaçlı elektronik bilgisayar olarak anılır.

• Özellikler: Yaklaşık 18.000 vakum lambası içeriyordu.
• Dezavantaj: Bellekte saklanan bir programa sahip değildi. Yeniden programlama, günler süren fiziksel kablo yeniden bağlantısı gerektiriyordu.

EDVAC ve EDSAC (1940'ların sonu)

Bu makineler, saklanan program ilkesini hayata geçirdi. Talimatlar, verilerle aynı belleğe yazılıyordu. Bu, işlemcinin insan müdahalesi olmadan komutları sırayla okuyup yürütmesine olanak tanıdı ki bu, herhangi bir modern CPU'nun temel işlevlerinden biridir.

Transistör devrimi ve entegre devreler

1947 yılında Bell Labs'de transistörün icadı bir dönüm noktası oldu. Transistörler daha küçük, daha güvenilir ve lambalara göre daha enerji verimliydi.

İkinci nesil (1950–1960'lar)

Bilgisayarlar daha kompakt hale geldi. IBM 1401 gibi ilk ticari sistemler ortaya çıktı. İşlemciler hala levhalara lehimlenmiş ayrı ayrık bileşenlerden oluşturuluyordu.

Entegre devrenin icadı (1958–1959)

Jack Kilby (Texas Instruments) ve Robert Noyce (Fairchild Semiconductor) birbirinden bağımsız olarak entegre devre (IC) yarattılar. Bu, birçok transistörün tek bir yarı iletken parçası üzerine yerleştirilmesine olanak tanıdı. Mikroişlemcinin yaratılmasını mümkün kılan teknoloji tam olarak budur.

Mikroişlemcinin doğuşu: Intel 4004

Gerçek devrim 1971 yılında yaşandı. Başlangıçta bellek üreten Intel şirketi, Japon firması Busicom'dan hesap makinesi için çip geliştirme siparişi aldı. Mühendisler Ted Hoff, Federico Faggin ve Stanley Mazor radikal bir çözüm önerdiler: Özel amaçlı çip seti yerine, tek bir evrensel programlanabilir işlemci yaratmak.

Intel 4004: Öncünün özellikleri

• Bit genişliği: 4 bit.
• Transistör sayısı: 2.300.
• Saat hızı: 740 kHz.
• Üretim süreci: 10 µm.

Bugünün standartlarına göre mütevazı görünse de, 4004 saniyede 60.000 işlem gerçekleştirebiliyordu. Bu, hesap makineleri için yeterliydi, ancak mühendisler çipin potansiyelinin çok daha geniş olduğunu hızlıca fark ettiler.

4004'ü daha güçlü modeller izledi:

1. Intel 8008 (1972): Erken dönem terminallerde kullanılan 8-bitlik işlemci.
2. Intel 8080 (1974): İlk popüler kişisel bilgisayar Altair 8800'ün kalbi oldu.
3. MOS Technology 6502 (1975): Apple II, Commodore 64 ve Nintendo Entertainment System'in çalıştığı ucuz ve hızlı rakip.

Mimari savaşı: CISC versus RISC

İşlemcilerin gelişimiyle birlikte, komut setinin nasıl tasarlanması gerektiği konusunda bir tartışma ortaya çıktı.

• CISC (Complex Instruction Set Computer - Karmaşık Komut Setli Bilgisayar): İşlemci, her biri birden fazla eylem gerçekleştirebilen birçok karmaşık komuta sahiptir. Örnek: x86 ailesi (Intel, AMD). Bu, programcının işini kolaylaştırır ancak çip mimarisini karmaşıklaştırır.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer - İndirgenmiş Komut Setli Bilgisayar): Tek bir saat döngüsünde gerçekleştirilen basit komut seti. Örnek: ARM, MIPS. Daha karmaşık bir derleyici gerektirir, ancak yüksek performans ve enerji verimliliğine ulaşmayı sağlar.

1980'lerde RISC mimarileri iş istasyonlarında hakimiyet kurdu, ancak bugün karmaşık x86 komutlarının içeride basit mikro işlemlere dönüştürüldüğü hibrit yaklaşım ve ARM'ın mobil sektördeki hakimiyeti, net sınırları ortadan kaldırdı.

İlk nesil CPU'ların karşılaştırılması

Erken dönem işlemcilerin kilit parametrelerindeki evrimi daha net görmek için aşağıdaki tabloya bakalım.

Bu tablo, karmaşıklıktaki üstel büyümeyi göstermektedir: Sadece 7 yıl içinde transistör sayısı 10 katından fazla artmış ve bit genişliği dört katına çıkmıştır.

CPU tarihi hakkında yaygın yanlış inanışlar

1. "İlk işlemciyi Bill Gates veya Steve Jobs yarattı." Hayır. Gates yazılım yazdı, Jobs ise ürün vizyonuyla ilgilendi. Mikroişlemcinin babaları Intel mühendisleridir: Ted Hoff, Federico Faggin ve Stanley Mazor.

2. "ENIAC ilk işlemciydi." ENIAC bir bilgisayardı, modern anlamda bir işlemci değil. Tek bir merkezi çipi yoktu ve programı bellekte saklamıyordu.

3. "Gigahertz ne kadar yüksekse, işlemci o kadar güçlüdür." Bu sadece aynı mimari içinde geçerlidir. Eski bir 3 GHz Pentium 4, komut yürütme verimliliği (IPC) ve çekirdek sayısındaki farklılıklar nedeniyle, 2 GHz'lik modern bir mobil çipten çok daha zayıftır.

SSS: İlk işlemciler hakkında sorular

Texas Instruments TMS 1000 gibi diğer çipler varken neden Intel 4004 ilk olarak kabul ediliyor? Deneysel geliştirmeler mevcuttu (örneğin Texas Instruments TMS 1000), ancak Intel 4004, yalnızca gömülü kontrolörler için değil, açık pazarda herhangi bir görev için kullanılabilen ilk evrensel programlanabilir mikroişlemci oldu.

Saat hızı nedir ve neden başlangıçta bu kadar yavaş arttı? Saat hızı, bir işlemcinin saniyede gerçekleştirebileceği işlem sayısıdır. 1970'lerde sınırlayıcı faktör üretim teknolojisidi: Transistör ne kadar küçükse, o kadar hızlı anahtarlanır. O dönemin teknolojik süreçleri (10 µm) fiziksel olarak yüksek hızlara ulaşmaya izin vermiyordu.

İlk iPhone'da hangi işlemci kullanıldı? İlk iPhone'da (2007) ARM11 mimarisine dayanan Samsung AP003 çipi kullanıldı. Bu, enerji verimliliğinin önemli olduğu mobil segmentte RISC mimarilerinin zaferini doğrulamaktadır.

Modern yazılımlar Intel 4004 üzerinde çalıştırılabilir mi? Hayır. 4-bitlik mimari, temel metin işlemlerini bile desteklemez (ASCII kodlaması 7–8 bit gerektirir). Modern işletim sistemleri, erken dönem çiplerde fiziksel olarak bulunmayan 64-bitlik bellek adreslemesi gerektirir.